ITPI20100041A1

ITPI20100041A1 - Metodo e apparato per recuperare ngl da un gas combustibile, in particolare da gas naturale

Info

Publication number: ITPI20100041A1
Application number: IT000041A
Authority: IT
Inventors: Stefano Favilli; Giacinto Leitempergher; Luciano Scibola
Original assignee: Sime S R L
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-09-30
Also published as: EP2475747B1; EP2475747A2; WO2011135414A3; WO2011135414A2; US20130035534A1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo “METODO E APPARATO PER RECUPERARE NGL/GPL DA UN GAS COMBUSTIBILE, IN PARTICOLARE DA GAS NATURALE”

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda un metodo e un apparato per separare idrocarburi con più di due atomi di carbonio da un gas combustibile contenente metano, in particolare per recuperare NGL da un gas naturale in pressione, o per recuperare GPL oppure NGL da gas di raffineria o da gas di altra provenienza.

Brevi cenni alla tecnica nota - Problemi tecnici

Il gas naturale, come estratto dai pozzi o prelevato da un gasdotto, oltre al metano contiene di norma idrocarburi con due o più atomi di carbonio, di seguito indicati come C2+, in particolare etano, propano e butano. I C2+ hanno un valore superiore rispetto al metano, poiché costituiscono una materia prima idonea per alimentare numerosi processi chimici industriali, ad esempio la sintesi di olefine; non risulta quindi conveniente bruciare tali idrocarburi assieme al metano per produrre energia.

Considerazioni analoghe valgono per la frazione più leggera della distillazione atmosferica del petrolio, così come per varie altre correnti gassose di raffineria o di altra provenienza, che contengano C2+.

È quindi pratica comune separare i C2+ dal metano destinato alla combustione, producendo NGL (Natural Gas Liquids, una miscela di etano, propano, butano e C5+) o GPL (gas di petrolio liquefatto, una miscela propano, butano). Ciò avviene in impianti di trattamento normalmente distanti dai giacimenti, cui tali impianti sono collegati mediante gasdotti che trasportano gas naturale sostanzialmente grezzo, ossia gas naturale che ha subito solo grossolani trattamenti fisici per separare sostanze estranee come solidi e acqua. Il gas, in particolare il gas naturale, è normalmente disponibile agli impianti di trattamento ad una pressione di decine/centinaia di atmosfere.

Con riferimento alla figura 1 allegata, un metodo noto e diffuso per separare i C2+ prevede di effettuare un’espansione del gas in un’apparecchiatura di espansione 15 di un apparato 100, provocando un raffreddamento al di sotto del punto di rugiada degli idrocarburi da separare. I C2+ separati 5 vengono raccolti in un separatore 16 disposto a valle dell’apparecchiatura di espansione 15, e destinati ad uno stoccaggio, non rappresentato, attraverso mezzi di movimentazione 17. Per eseguire l’espansione minimizzando le irreversibilità, con il massimo effetto di raffreddamento e di recupero di C2+, si è soliti ricorrere a una turbina o turboespansore 15 quale apparecchiatura di espansione. Ciò permette inoltre di recuperare energia meccanica Q1dall’espansione del gas 3, ad esempio per azionare un compressore 28 che innalza nuovamente la pressione del gas combustibile 6 ad una pressione di trasporto vantaggiosa per un successivo gasdotto di distribuzione, o per produrre energia elettrica, in associazione con un generatore di potenza elettrica, non rappresentato.

La tecnica sopra descritta consente di recuperare i C2+, in particolare l’etano, dal gas 1, con un rendimento molto elevato grazie al turboespansore 15, che è però un componente particolarmente delicato e sensibile alla qualità del gas che lo alimenta. Il gas di partenza grezzo 1, in particolare il gas naturale, contiene in genere umidità, che raffreddandosi dà luogo a formazione di particelle di ghiaccio e idrati solidi (complessi acqua-idrocarburi) che non possono essere ammesse nel turboespansore 15, pena il rapido blocco e/o deterioramento dell’apparecchiatura. Per questo motivo, il gas grezzo 1 viene sottoposto a onerosi trattamenti di deumidificazione.

Ad esempio, la deumidificazione può essere eseguita facendo passare il gas 1 attraverso torri di adsorbimento, che richiedono periodica rigenerazione e predisposizione di almeno due unità a funzionamento alternato 12’ e 12”, per garantire la continuità dell’operazione; è inoltre necessario predisporre mezzi di prelievo e riscaldamento 18 di una corrente di gas rigenerante 9 prelevata in linea dal gas deumidificato 2, nonché prevedere un’unità di trattamento, non rappresentata, del gas di rigenerazione esausto 10. La sezione di disidratazione spinta del gas, necessaria per poter usare il turboespansore 15, contribuisce quindi notevolmente ad aumentare i costi di realizzazione ed esercizio dell’apparato 100 di separazione dei C2+, secondo la tecnica nota, soprattutto per il fabbisogno energetico della sezione di rigenerazione.

Inoltre, il turboespansore 15 è di per sé un componente costoso, che comporta oneri a livello di gestione, controllo e manutenzione.

Quanto sopra rende critico il bilancio tra efficienza di separazione di C2+, in particolare etano, e costi di realizzazione ed esercizio dell’apparato 100.

In alternativa alla tecnica sopra descritta, per separare il metano dai C2+ sono anche note tecniche che prevedono l’impiego di colonne dette di demetanizzazione, associate a dispositivi frigoriferi. Anche tali tecniche sono onerose, in termini di realizzazione, ed esercizio, rispetto all’efficienza di separazione che permettono di conseguire.

Sintesi dell’invenzione

È quindi uno scopo della presente invenzione fornire un metodo per recuperare idrocarburi con due o più atomi di carbonio a partire da un gas combustibile umido, che non richieda una disidratazione spinta preventiva del gas combustibile umido.

È inoltre uno scopo della presente invenzione fornire un siffatto metodo che abbia un’efficienza di recupero predefinita e sia di realizzazione ed esercizio meno costosi rispetto alle soluzioni di tecnica nota.

È un altro scopo particolare della presente invenzione fornire un siffatto metodo che permetta di recuperare NGL, o GPL, in particolare recuperando propano e butano in modo sostanzialmente quantitativo.

È inoltre scopo della presente invenzione fornire un apparato per attuare tale metodo.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da Un metodo per separare metano da almeno un idrocarburo a due o più atomi di carbonio a partire da un fluido sostanzialmente gassoso contenente metano e l’almeno un idrocarburo, in cui il fluido sostanzialmente gassoso è alimentato ad una pressione di prelievo compresa tra 15 e 300 bar, in particolare tra 35 e 150 bar,

detto metodo prevedendo le fasi di:

� predisporre un dispositivo di espansione avente una luce di ingresso, una via di passaggio ed espansione e una porzione di uscita;

� alimentare il fluido nella luce di ingresso e far passare il fluido attraverso la via di passaggio ed espansione per far espandere e raffreddare il fluido sostanzialmente gassoso lungo la via di passaggio ed espansione, in modo che nella porzione di uscita una parte del fluido sostanzialmente gassoso si trasformi in un idrocarburo liquido a due o più atomi di carbonio;

la cui caratteristica principale è che il fluido sostanzialmente gassoso contien

e, inoltre, una quantità di acqua superiore a 3 parti per milione in volume, in modo che quando il fluido si raffredda si forma una quantità di solido comprendente ghiaccio e/o idrati di idrocarburi, e che

detta via di passaggio è realizzata in modo tale che il fluido sostanzialmente gassoso fluisca e si espanda attraverso la via di passaggio ed espansione, e che il solido raggiunga la porzione di uscita senza ostruire la via di passaggio ed espansione.

In tal modo, è possibile separare idrocarburi con due o più atomi di carbonio da un gas combustibile contenente metano, come un gas naturale petrolifero proveniente da un giacimento di gas o da un giacimento misto di gas e olio, un gas di raffineria o un altro gas di processo contenente metano assieme ai C2+, anche se il gas combustibile contiene quantità significative di acqua, ossia quantità tali da formare ghiaccio e idrati di idrocarburi in quantità che rendono difficile/onerosa l’applicazione dei metodi di separazione e l’esercizio di apparati di tipo noto, basati sull’impiego di turboespansori.

In particolare, la via di passaggio ha una forma tale da deviare il moto del fluido in modo da agevolarne il passaggio attraverso la via di passaggio.

Preferibilmente, il disegno e le condizioni di flusso realizzate all’interno della via di passaggio impediscono una sostanziale separazione tra la fase gas, e le fasi liquida e solida che si formano durante l’espansione.

In particolare, la via di passaggio ha sezioni trasversali atte ad aumentare gradualmente la velocità di detto fluido sostanzialmente gassoso in espansione all’interno di detta via di passaggio, fino a raggiungere un valore supersonico. In tal modo, il tempo di permanenza del fluido nella via di passaggio è abbastanza breve perché le particelle di ghiaccio e/o idrati solidi che vi si formano, in caso di temperature inferiori a rispettive temperature di formazione, possano crescere fino a raggiungere una dimensione critica tale da ostruire la via di passaggio, o da danneggiare le parti interne della via di passaggio.

Il dispositivo di espansione può comprendere una pompa multifase inversa, ossia un’apparecchiatura di espansione provvista di:

� almeno un rotore atto a trasferire l’energia potenziale del fluido sostanzialmente gassoso all’asse dell’ apparecchiatura, che opera con un numero di giri relativamente basso e con un salto di pressione inferiore rispetto a quello dei turboespansori convenzionali, limitando oltre al numero di giri anche i diametri massimi delle giranti;

� almeno uno statore avente mezzi di distribuzione/raccolta del fluido in ingresso/uscita alla/e girante/i, lo statore essendo atto a indirizzare i filetti fluidi verso l’ingresso di un successivo rotore.

In particolare, il rotore comprende un albero cilindrico ed almeno due profili ad elica realizzati esternamente e coassialmente all’albero, in modo che il fluido si muova secondo la direzione dell’albero quando impegna il rotore, e lo statore comprende un condotto entro cui è disposto girevole il rotore, ed almeno un diffusore interposto in uso tra i due profili ad elica del rotore. In altre parole, il rotore comprende almeno una girante elicoassiale, ovvero il dispositivo è una pompa elicoassiale inversa idonea a trattare un sistema multifase o, più brevemente, una pompa multifase inversa. I canali elicoidali a sviluppo assiale della girante ed i canali del diffusore definiscono, assieme al condotto dello statore, una via di passaggio idonea per l’espansione e l’almeno parziale liquefazione del fluido sostanzialmente gassoso, anche se durante l’espansione si formano ghiaccio o idrati degli idrocarburi in quantità significative, a causa del tenore di umidità relativamente elevato presente nel fluido.

In particolare, il rotore comprende una pluralità di pale che definiscono lateralmente una pluralità di canali di detta via di passaggio ed espansione del fluido sostanzialmente gassoso, i canali essendo aperti almeno da una parte secondo la direzione dell’asse di rotazione della girante radiale-assiale. Il rotore elico-assiale è vantaggioso nel caso in cui la percentuale di liquido in uscita dall’espansore multifase è relativamente bassa, in particolare non superiore al 35%. In altre parole, il rotore è di tipo radiale-assiale, o semiradiale, similmente a quanto accade in un turboespansore convenzionale, e comprende almeno una girante semiaperta o aperta. La struttura semiaperta o aperta della girante radiale-assiale provvede anche in questo caso una via di passaggio idonea per il fluido sostanzialmente gassoso, anche se durante l’espansione si formano particelle solide di ghiaccio e idrati. Il diametro della girante radiale-assiale può essere maggiore di quello di una girante elicoassiale, consentendo velocità periferiche più elevate.

Preferibilmente, il rotore ha una velocità di rotazione inferiore o uguale a 6500 giri/min, in particolare ha una velocità di rotazione compresa tra 3000 e 6500 giri/min. Nel caso della girante elicoassiale, l’altezza dell’elica è limitata. Il diametro della girante radiale-assiale potrà essere più ampio consentendo velocità periferiche più elevate che nel caso della girante elicoassiale.

Vantaggiosamente, l’apparecchiatura di espansione sopra definita, nella variante elico-assiale e nella variante radiale-assiale, è un’apparecchiatura di espansione di valle, ed il dispositivo di espansione sopra descritto comprende inoltre un’apparecchiatura di espansione di monte

atta a ricevere il fluido sostanzialmente gassoso ed a

causarne una prima espansione con un raffreddamento fino ad

una temperatura superiore ad una temperatura di formazione

del solido, l’apparecchiatura di espansione di monte essendo

connessa con l’apparecchiatura di espansione di valle in

modo che il fluido sostanzialmente gassoso passi dalla

apparecchiatura di espansione di monte all’apparecchiatura

di espansione di valle in cui l’espansione può procedere con

un ulteriore raffreddamento al di sotto della temperatura di

formazione del solido, in particolare al di sotto della

temperatura di formazione di ghiaccio e/o di idrati.

Vantaggiosamente, l’apparato comprende:

� un dispositivo girevole di recupero energetico scelto

tra

� un compressore per comprimere il fluido

sostanzialmente gassoso dopo la liquefazione della quota

dell’almeno un idrocarburo a due o più atomi di

carbonio;

� un generatore di energia elettrica;

� mezzi di collegamento meccanico tra il rotore del

dispositivo di espansione e il dispositivo girevole di

recupero energetico, in modo che il dispositivo girevole di

recupero energetico generi una potenza meccanica o elettrica

quando il fluido sostanzialmente gassoso si espande nel

dispositivo di espansione;

� mezzi per prelevare la potenza elettrica o meccanica

prodotta dal dispositivo girevole di recupero energetico.

Alternativamente, il dispositivo di espansione comprende

una valvola di laminazione provvista di:

� una porzione tubolare di ingresso atta a ricevere una

portata predeterminata del fluido sostanzialmente gassoso ad

una pressione predeterminata, la porzione tubolare di

ingresso avendo una luce di ingresso, una superficie di ingresso costituita dalla superficie interna di detta porzione tubolare di ingresso, un asse longitudinale ed una sezione trasversale generalmente decrescente a partire dalla luce di ingresso;

� una porzione tubolare di espansione ed uscita per il fluido sostanzialmente gassoso,

� una porzione tubolare di gola tra la porzione tubolare di ingresso e la porzione tubolare di espansione ed uscita, in modo che le porzioni tubolari formino una via di passaggio per il fluido sostanzialmente gassoso;

� un elemento otturatore disposto nella porzione di gola, atto a causare una laminazione e una conseguente riduzione della pressione, forte raffreddamento e liquefazione parziale del fluido sostanzialmente gassoso;

nella porzione di ingresso sono previsti mezzi per orientare la miscela almeno parzialmente allo stato gassoso secondo una direzione di flusso generalmente inclinata rispetto all’asse longitudinale.

In particolare detti mezzi per orientare sono atti a far assumere alla miscela un moto elicoidale in modo che sulla miscela almeno parzialmente allo stato gassoso agisca una forza centrifuga e si verifichi una trasformazione di un’energia di pressione in energia cinetica associata al moto elicoidale.

In particolare, l’area trasversale della via di passaggio è atta a conferire progressivamente al fluido sostanzialmente gassoso in espansione secondo la portata predeterminata una velocità supersonica all’interno della via di passaggio. In tal modo, il tempo di permanenza del fluido nella via di passaggio è abbastanza breve perché le particelle di ghiaccio e/o idrati solidi che vi si formano, in caso di temperature inferiori a rispettive temperature di formazione, possano crescere fino a raggiungere una dimensione critica tale da ostruire la via di passaggio.

In particolare, la porzione di ingresso comprende una porzione centrale avente una superficie centrale in modo da definire un passaggio anulare, i canali essendo definiti da una pluralità di setti disposti orientati secondo la direzione di flusso lungo la camera anulare, ciascuno dei setti essendo solidale ad una rispettiva superficie di collegamento scelta tra la superficie centrale e la superficie periferica della camera anulare.

Preferibilmente, tutti i setti sono solidali ad una medesima superficie di collegamento, scelta tra la superficie centrale e la superficie periferica della camera anulare.

In particolare, i canali hanno un andamento elicoidale, ossia sono disposti secondo rispettive spirali contigue sulla superficie di collegamento dei setti.

In particolare, ciascuno dei setti è alloggiato in una rispettiva sede realizzata su una superficie della camera opposta alla rispettiva superficie di collegamento, in modo da garantire tenuta tra canali contigui della pluralità di canali.

Vantaggiosamente, la superficie centrale comprende una superficie di un elemento centrale avente forma di un solido di rotazione, in particolare di un elemento a ogiva disposto fisso all’interno della porzione di ingresso, l’elemento a ogiva avendo un asse preferibilmente coincidente con l’asse longitudinale della porzione di ingresso.

In particolare, l’elemento otturatore è un corpo sostanzialmente cilindrico cavo unito coassialmente ad una estremità dell’elemento centrale opposta alla luce di ingresso della porzione d’ingresso, il corpo cilindrico cavo avendo una pluralità di fori tra una superficie cilindrica esterna ed una superficie cilindrica interna.

Preferibilmente, almeno una parte dei fori è disposta in corrispondenza di canali scelti tra i canali della porzione di ingresso, in modo che una porzione del fluido parzialmente espanso che lascia uno di tali canali entri e percorra un rispettivo foro dell’elemento otturatore assumendo gradualmente una direzione sostanzialmente elicoidale che viene mantenuta in una cavità interna dell’elemento otturatore e/o nella porzione di uscita della valvola.

Vantaggiosamente, l’elemento otturatore sostanzialmente cilindrico è disposto scorrevole all’interno di una cavità dell’elemento centrale, in modo che per effetto di uno scorrimento relativo dell’elemento otturatore e dell’elemento centrale vari l’ampiezza della porzione di gola definita tra l’elemento otturatore e la superficie periferica, e vari la riduzione della pressione del fluido sostanzialmente gassoso.

Gli scopi sopra indicati, ed altri, sono altresì raggiunti da un apparato per separare mediante liquefazione almeno un idrocarburo a due o più atomi di carbonio da un fluido sostanzialmente gassoso contenente metano, l’apparato essendo atto a ricevere il fluido sostanzialmente gassoso ad una pressione di estrazione (P) compresa tra 15 e 300 bar, in particolare tra 35 e 150 bar,

detto apparato prevedendo:

� un dispositivo di espansione avente una luce di ingresso, una via di passaggio ed espansione e una porzione di uscita;

� mezzi per alimentare una portata predeterminata del fluido nella luce di ingresso in modo da far passare il fluido attraverso la via di passaggio ed espansione,

� detta via di passaggio ed espansione ssendo atta a causare un espansione ed un raffreddamento del fluido , in modo tale che nel fluido:

� si formi una quantità di liquido contenente una quota dell’almeno un idrocarburo avente due o più atomi di carbonio, la quantità di liquido e la quota dell’idrocarburo avente due o più atomi di carbonio essendo dipendente da dal raffreddamento;

� si formi una quantità di solido comprendente ghiaccio e/o idrati di idrocarburi,

la cui caratteristica principale è che:

� detta via di passaggio ed espansione è atta ad espandere e raffreddare un fluido gassoso che contiene, inoltre, una quantità di acqua superiore a 3 parti per milione in volume, in modo che quando il fluido viene fatto espandere e raffreddare nella via di passaggio ed espansione, si forma una quantità di solido che comprende ghiaccio e/o idrati di idrocarburi;

� detta via di passaggio ed espansione è disposta in modo tale che il fluido sostanzialmente gassoso fluisca e si espanda attraverso la via di passaggio ed espansione senza ostruire la via di passaggio ed espansione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà di seguito illustrata con la descrizione di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:

– la figura 1 è un diagramma di flusso di un processo per recuperare idrocarburi a due o più atomi di carbonio da un gas combustibile umido contenente metano, secondo la tecnica nota;

– le figure 2,4 e 7 sono diagrammi di flusso di forme realizzative del processo e dell’apparato secondo l’invenzione, per recuperare idrocarburi a due o più atomi di carbonio da un gas combustibile umido contenente metano; – la figura 3 è una vista assonometrica schematica di una pompa elicoassiale;

– le figure 5 e 6 sono diagrammi che mostrano ulteriori varianti dell’apparato secondo l’invenzione;

– la figura 8 è una vista in sezione di una valvola di laminazione per effettuare un’espansione del gas, secondo una forma realizzativa dell’invenzione;

– la figura 9 è una vista in sezione di una valvola di laminazione per effettuare un’espansione del gas, secondo un’altra forma realizzativa dell’invenzione

– la figura 10 è una vista assonometrica di un elemento centrale della via di passaggio della valvola di laminazione di figura 9;

– la figura 11 è una vista assonometrica di un elemento otturatore della valvola di laminazione di figura 9;

– la figura 12 mostra un assieme in cui l’elemento centrale di figura 10 e l’elemento otturatore di figura 11 sono disposti scorrevoli l’uno rispetto all’altro;

– la figura 13 mostra schematicamente l’andamento dei filetti fluidi del gas durante un’espansione attraverso la valvola di laminazione di figura 10;

– le figure 14’,14” sono viste esplosa di varianti realizzative della valvola di laminazione secondo l’invenzione, in particolare la figura 14’ si riferisce alla variante di figura 9;

– la figura 15 è una vista assonometrica del corpo valvola della valvola di figura 9;

– la figura 16 è una vista assonometrica di un elemento centrale a ogiva della via di passaggio della valvola di laminazione secondo la variante realizzativa di figura 14”; – la figura 17 è una vista assonometrica di un elemento di bloccaggio dell’elemento centrale a ogiva di figura 16.

Descrizione di una forma realizzativa preferita

Con riferimento alle figure 2, 4 e 7 viene descritto un metodo per separare mediante liquefazione almeno un idrocarburo a due o più atomi di carbonio da una corrente 2 di fluido sostanzialmente gassoso contenente metano; vengono inoltre descritte tre forme realizzative 200, 300, 600 di un apparato, secondo l’invenzione, per attuare tale metodo. La corrente 2 può essere un gas naturale sostanzialmente grezzo, ossia gas naturale che ha subito solo grossolani trattamenti fisici di purificazione, prelevato da un gasdotto, oppure può trattarsi ad esempio di un gas di raffineria. La pressione P1può variare tra le decine e le centinaia di atmosfere, in particolare tra 15 e 300 bar, più in particolare tra 35 e 150 bar. La corrente 2 subisce una grossolana separazione per gravità di particolato solido e liquido residuo in un separatore a ciclone 13 o equivalente, quindi viene suddivisa in due correnti 2’ e 2” le quali subiscono rispettivi preraffreddamenti in rispettivi scambiatori di calore a superficie 14’ e 14” prima di essere riunite per formare la corrente 3 sostanzialmente alla stessa pressione P1della corrente 2 ma ad una temperatura inferiore T1. In una variante del processo, la corrente 3 può subire un ulteriore raffreddamento in un ulteriore scambiatore di calore, non rappresentato, cedendo calore ad un fluido frigorifero reso disponibile da un adatto impianto frigorifero, pure non rappresentato.

La corrente 3 viene alimentata ad un dispositivo di espansione, che può essere una pompa di tipo adatto a trattare un sistema multifase, in particolare una pompa elicoassiale inversa 20 (figura 2), una pompa radialeassiale inversa 25 (figura 4); in alternativa, il dispositivo di espansione può essere una valvola di laminazione, in particolare una valvola di laminazione 30 secondo l’invenzione, descritta nel seguito. Nel dispositivo di espansione 20,25,30 il fluido sostanzialmente gassoso 3 subisce un’espansione accompagnata, secondo l’effetto Joule-Thomson, da un raffreddamento, restituendo una corrente almeno parzialmente allo stato gassoso 4 alla pressione P2ed alla temperatura T2, rispettivamente inferiori ai valori P1e T1riferiti alla corrente 3 in ingresso al dispositivo 20,25,30.

La corrente 4 viene alimentata ad una camera di espansione o di separazione 16 in cui si separa una frazione liquida 5, preferibilmente raccolta in un battente H soggetto ad un loop di regolazione, non rappresentato, ed una frazione gassosa 6, secondo rapporti reciproci dipendenti dalla caduta di pressione e di temperatura, ossia dei valori P2,T2di pressione e temperatura realizzati in uscita al dispositivo 20,25,30. In particolare, nel caso della valvola di laminazione 30, per valori di pressione compresi tra 35 e 150 bar, la pressione di uscita P2 può essere compresa, tra 3 e 30 bar e la temperatura T2 può essere compresa tra -20°C e -80°C.

La frazione liquida 5 comprende uno o più idrocarburi C2+ con una composizione, rispetto al fluido sostanzialmente gassoso 2 di partenza, dipendente dalle condizioni di pressione e temperatura P2,T2realizzate all’uscita del dispositivo 20,25,30. La frazione liquida 5 viene prelevata attraverso una pompa 17, o mezzi di movimentazione equivalenti, e destinata ad uno stoccaggio o ad un dispositivo utilizzatore, non rappresentato. La frazione liquida 5 viene utilizzata come fluido refrigerante nello scambiatore 14” in cui viene avviene il preraffreddamento della porzione 2” della corrente 2.

La frazione gassosa 6 comprende in massima parte metano e residui di idrocarburi superiori. Tali residui di C2+ sono abbastanza scarsi da poter essere convenientemente avviati alla combustione assieme al metano; il loro recupero nella fase liquida 5 richiederebbe infatti una separazione più spinta di quella realizzata mediante una pompa inversa multifase elico-assiale o radiale-assiale 20,25, funzionanti come espansori multifase, o mediante la valvola di laminazione 30 secondo l’invenzione, che richiederebbe dispositivi di espansione più delicati e costosi, come turboespansori, il cui uso presuppone onerose operazioni di disidratazione del gas, nella maggior parte dei contesti non giustificabili alla luce degli effettivi benefici residuali che possono derivare dal recupero dei residui di C2+.

La pompa inversa 20,25 e la valvola di laminazione 30 possono infatti operare anche se nella corrente 2, e poi nella corrente 3, è presente una quantità di acqua tale da formare quantità apprezzabili di solidi come ghiaccio e idrati, ossia composti di coordinazione acqua-idrocarburi. I solidi possono transitare attraverso la via di passaggio del dispositivo 20,25,30 (figure 2,4,7), il cui disegno e le cui condizioni operative non consentono la separazione di fase tra gas, liquido e solido all’interno del dispositivo, nonché adeguata ampiezza di sezione trasversale.

La frazione liquida 6, sostanzialmente ancora alla temperatura T2ottenuta per effetto Joule-Thomson nel dispositivo 20, 25 o 30, viene utilizzata come fluido refrigerante nello scambiatore 14’ in cui avviene il preraffreddamento della porzione 2’ della corrente 2. Successivamente, la frazione gassosa 6 subisce in un compressore 28 una compressione ad una pressione P3, per realizzare un trasporto vantaggioso della frazione gassosa 6 dall’apparato 200, 300, 600 mediante un gasdotto di distribuzione, fino ad un sito di stoccaggio e/o utilizzo, non rappresentato.

La descrizione di cui sopra è riferita ad un metodo e ad un apparato per recuperare C2+ da un gas naturale umido, ma può essere ripetuto per altri gas contenenti metano e idrocarburi a due o più atomi di carbonio, ad esempio per un gas associato ad un giacimento petrolifero o per un gas di raffineria, ad esempio un gas proveniente dalla distillazione atmosferica del petrolio o gas di altra provenienza contenenti C2+.

Con riferimento alla rappresentazione schematica di figura 3, viene descritta una pompa inversa multifase elicoassiale 20 in cui un rotore 21, di tipo noto, comprende un albero cilindrico 21’ ed almeno due profili ad elica 22 realizzati esternamente e coassialmente all’albero 21’, in modo che il fluido 3 venga accelerato secondo la direzione dell’albero 21’ quando impegna il rotore 21; uno statore comprende un condotto 24 entro cui è disposto girevole il rotore 21, ed almeno un diffusore 24’ interposto tra i due profili ad elica del rotore.

La figura 5 mostra una variante 400 dell’apparato 300 secondo l’invenzione, in cui è prevista un’apparecchiatura di espansione di monte 19 atta a ricevere il fluido sostanzialmente gassoso 3 ed a causarne una prima espansione che si raffredda per effetto Joule-Thomson fino ad una temperatura T2’superiore alla temperatura alla quale si formano solidi come ghiaccio ed idrati per effetto della presenza di acqua. L’apparecchiatura di espansione di monte 19 può essere un turboespansore, ed è connessa con un’apparecchiatura di espansione di valle 25’ atta a operare con formazione di solidi durante l’espansione, in particolare una pompa multifase inversa come previsto in figura 2 ed in figura 4, in cui l’espansione può procedere con un ulteriore raffreddamento al di sotto della temperatura di formazione del ghiaccio o degli idrati.

Le apparecchiature di espansione 19 e 25’ restituiscono rispettive correnti almeno parzialmente allo stato gassoso 4 e 4’ che vengono alimentate a rispettive camere di espansione o di separazione 16,16’ in cui si separano frazioni liquide 5,5’ e rispettive frazioni gassose 6,6’. Le frazioni liquide 5 e 5’ vengono prelevate attraverso rispettive pompe 17,17’, e destinate a rispettivi stoccaggi o dispositivi utilizzatori, non rappresentati. La frazione gassosa 6 prosegue l’espansione al di sotto della pressione P2, mentre la frazione gassosa 6’ subisce in un compressore 28 una compressione ad una pressione P4, per realizzare un trasporto vantaggioso della frazione gassosa mediante un gasdotto di distribuzione.

Nella figura 6 è mostrata una variante 500 dell’apparato 300 secondo l’invenzione, in cui il rotore ossia la girante della pompa multifase inversa radiale-assiale 25 è collegata meccanicamente ad un generatore di energia elettrica 29, invece che ad un compressore 28 come nell’apparato 300, che consente di recuperare energia dall’espansione del fluido 3, nella forma di una potenza elettrica W. In una variante non rappresentata, l’espansione avviene in una pompa multifase elicoassiale inversa (ossia in un espansore multifase elicoassiale) come quella rappresentata in figura 3, il cui rotore aziona un generatore di energia elettrica 29.

Con riferimento alla figura 8, viene descritta una prima forma realizzativa della valvola di laminazione 30 per gas, o più in generale per un fluido sostanzialmente gassoso, secondo l’invenzione. La valvola di laminazione 30 comprende un corpo-valvola 30’ all’interno del quale è ricavata una via di passaggio 33. La via di passaggio 33 comprende una porzione tubolare di ingresso 31 atta a ricevere una corrente 3 di un fluido sostanzialmente gassoso, disponibile ad una pressione predeterminata P1. La porzione tubolare di ingresso 31 ha una luce di ingresso 31’, un asse longitudinale 32 ed una sezione trasversale non crescente a partire dalla luce di ingresso 31’; nella porzione di ingresso 31 sono inoltre previsti mezzi 34 per orientare la corrente 3 conferendole una direzione di flusso, in specie una pluralità di direzioni di flusso 35, che sono inclinate rispetto all’asse longitudinale 32; nell’esempio in figura le direzioni 35 sono variabili lungo la porzione di ingresso 31, cioè variano al progredire della corrente 3 nella porzione di ingresso 31 in modo tale da ridurre gli attriti tra la corrente 3 e la via di passaggio 33. Nella rappresentazione di figura 8 la porzione tubolare di ingresso ha una forma tronco-conica, ma può avere una qualsiasi forma in cui la sezione trasversale diminuisce o comunque non aumenta a partire dalla luce di ingresso 31’, ossia nella direzione di avanzamento della corrente 3. La superficie di ingresso, costituita dalla superficie interna della porzione tubolare di ingresso 31, definisce lo sviluppo delle porzioni di canali secondo cui la corrente 3 è indotta a orientarsi dai mezzi deviatori 34. A valle della porzione di ingresso 31 della valvola di laminazione 30 vi è una porzione tubolare di gola 65, in cui è diposto un elemento otturatore 60 mobile all’interno di detta porzione di gola 65, in modo da variare la sezione di una gola 65’; attraversando la porzione di gola 65, la corrente 3 subisce una perdita di pressione, trasformandosi in una corrente 3’ di fluido sostanzialmente gassoso ad una pressione P2inferiore alla pressione P1alla quale viene alimentata la corrente 3.

La forma dei deviatori 34, collaborando con la riduzione della sezione di passaggio 33, in particolare nella porzione di gola 65, e quindi con la riduzione della pressione, tende a conferire al flusso una componente centrifuga, ed un moto di avanzamento sostanzialmente elicoidale del flusso attraverso la gola 65’ lasciata libera dall’otturatore 60.

La pressione P1, alla quale viene alimentata la corrente 3, è superiore alla pressione alla quale la corrente 3’ lascia la porzione di gola 65, essendovi un parziale recupero di pressione a scapito del’energia cinetica nella zona di uscita 66. La caduta di pressione ∆P=P2-P1dipende in generale dalla pressione P1, alla quale è disponibile la corrente 3, e dalla portata della corrente 3. Nel caso di

C l una corrente di un gas, in cui è assente la fase liquida, tale depressione può causare una parziale liquefazione del gas, pertanto la corrente 3 può dare luogo ad una miscela almeno bifase in cui è presente una fase liquida. Più precisamente, è possibile che la caduta di pressione ∆P e la conseguente caduta di temperatura ∆T, secondo l’effetto Joule-Thomson, portino il gas in una condizione di pressione e temperatura in cui è termodinamicamente stabile un sistema liquido-vapore, per cui la corrente 3’ a valle della porzione di gola 65, cioè a valle dell’elemento otturatore 60, è una corrente multifase in cui almeno una delle fasi è una fase liquida, anche se la fase liquida è assente nella corrente 3. A valle dell’elemento otturatore 60 e della porzione di gola 65 è prevista una porzione tubolare di espansione e di uscita 66 per la corrente 3’ che si trasforma nella corrente 4.

Sempre con riferimento alla figura 8, i mezzi deviatori comprendono una pluralità di setti 34 solidali alla superficie periferica 36 della porzione di ingresso 31, che costituisce una superficie di collegamento dei setti 34 di collegamento 36. Tali setti 34 definiscono una pluralità di canali disposti lungo la superficie interna periferica 36. I canali hanno un andamento elicoidale, ossia sono disposti secondo rispettive spirali contigue sulla superficie periferica 36.

In un’altra forma realizzativa, rappresentata in figura 9, la porzione di ingresso 31 della via di passaggio 33 è una camera anulare, a sezione trasversale variabile, definita tra una superficie centrale 42 ed una superficie periferica 92. Anche in questo caso i mezzi per orientare la corrente 3 sono forniti da setti 41 solidali ad una superficie di collegamento, che in questo caso non è la superficie periferica 92 della porzione di ingresso 31, come in figura 2, ma la superficie centrale 42 della porzione di ingresso 31. La superficie 42 è fornita da un elemento a ogiva 40, mostrato più in dettaglio in figura 10, avente un asse 50 coincidente con l’asse 32, in altre parole l’elemento a ogiva 40 occupa una porzione centrale del corpo valvola 30’ definendo una parte della via di passaggio 33 della valvola 30. L’elemento a ogiva 40 è mantenuto fisso all’interno del corpo valvola 30’ da un perno 38 che impegna i fori passanti 38’,38” del corpo valvola 30’, nonché un foro passante attraverso l’elemento centrale a ogiva 40. L’elemento centrale a ogiva 40 presenta, in corrispondenza della estremità 44 opposta all’estremità disposta verso la luce di ingresso 31’, una cavità 43 che fornisce una sede di scorrimento per un elemento otturatore 60, sostanzialmente cilindrico, mostrato nelle figure 11 e 12.

In particolare, la figura 11 mostra l’elemento otturatore montato coassialmente con l’elemento a ogiva 40. L’elemento otturatore 60 ha una pluralità di fori 61 tra la propria superficie cilindrica esterna 62 e la superficie cilindrica interna 63, che hanno preferibilmente una direzione che si discosta da quella radiale, in particolare si tratta di una direzione sostanzialmente tangente alla superficie 62/63 del corpo otturatore. Tali fori 61 sono disposti, preferibilmente tutti, con la luce di ingresso sulla superficie 62 in corrispondenza, ossia sulla stessa generatrice su cui cadono i canali 46 della porzione di ingresso 31, definiti sull’ogiva 40 dai setti 41.

Per effetto di uno scorrimento relativo dell’elemento otturatore 60 e dell’elemento centrale 40 varia l’ampiezza della porzione di gola 65 definita tra l’elemento otturatore 60 e la superficie periferica 92, in particolare varia la sezione della gola multipla definita nei fori 61, che hanno rispettive luci di uscita che vengono tagliate dall’elemento otturatore 60, In tal modo è possibile regolare la caduta di pressione ∆P=P2-P1e/o la portata della corrente 3-3’.

La figura 14’ è una vista esplosa della valvola 30 secondo la forma realizzativa di figura 9; oltre ai componenti e particolari sopra descritti, è visibile una ghiera 70, la cui superficie interna 72 forma una superficie periferica della porzione di ingresso 31 della via di passaggio 33 della valvola 30 (figura 9).

La figura 14” è una vista esplosa analoga alla vista di figura 14’, in cui è mostrata un’altra variante realizzativa della valvola 30, in cui i setti 91,71 che definiscono i canali elicoidali della porzione di ingresso 31 sono solidali alla superficie periferica formata dalla superficie interna 92 del corpo valvola 30’ e dalla superficie interna 72 della ghiera 70. Per il dettaglio delle varianti realizzative del corpo valvola 30’, dell’elemento a ogiva 80 e della ghiera 70, corrispondenti alla variante realizzativa della valvola di figura 14”, si vedano, nell’ordine, le figure 15, 16 e 17.

In particolare, in figura 16 l’elemento a ogiva 80 presenta delle scanalature 81 che formano delle sedi in cui, al montaggio, vengono alloggiati i setti 71 e 91 in modo da garantire una sostanziale tenuta tra canali contigui definiti da tali setti nella camera anulare definita tra la superficie periferica 72,92 e la superficie centrale 82.

In figura 15 sono visibili, e indicati con il medesimo numero, i particolari citati descrivendo la variante realizzativa di figura 14”. È inoltre visibile uno spallamento ossia una superficie trasversale 97 con cui, al montaggio, viene ad impegnarsi a battuta la superficie trasversale 77 corrispondente della ghiera 70, mostrata in figura 17. Sono altresì visibili le flange di estremità 95’ e 95” del corpo valvola 30’, provviste di fori filettati ciechi 95 per l’accoppiamento con rispettive flange di tubazioni collegate.

Nelle forme realizzative rappresentate, tutti i setti 41,71,91 sono solidali ad una medesima superficie di collegamento 42,72,92, centrale o periferica, tuttavia è possibile realizzare una variante in cui alcuni setti sono solidali con la superficie centrale 42 ed altri con una superficie periferica 72,92.

La descrizione di cui sopra di forme realizzative del metodo e dell’apparato secondo l’invenzione, e delle modalità di utilizzo dell’apparato, è in grado di mostrare l’invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tali forme realizzative specifiche senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti delle forme realizzative specifiche. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un metodo (200,300,400,500,600) per separare metano da almeno un idrocarburo a due o più atomi di carbonio a partire da un fluido sostanzialmente gassoso contenente metano e detto almeno un idrocarburo, in cui detto fluido sostanzialmente gassoso è alimentato ad una pressione di prelievo compresa tra 15 e 300 bar, in particolare tra 35 e 150 bar, detto metodo prevedendo le fasi di: � predisporre un dispositivo di espansione avente una luce di ingresso, una via di passaggio ed espansione e una porzione di uscita; � alimentare detto fluido in detta luce di ingresso e far passare detto fluido attraverso detta via di passaggio ed espansione per far espandere e raffreddare detto fluido sostanzialmente gassoso lungo detta via di passaggio ed espansione, in modo che in detta porzione di uscita una parte di detto fluido sostanzialmente gassoso si trasformi in un idrocarburo liquido a due o più atomi di carbonio; caratterizzato dal fatto che detto fluido sostanzialmente gassoso contiene, inoltre, una quantità di acqua superiore a 3 parti per milione in volume, in modo che quando detto fluido si raffredda si forma una quantità di solido comprendente ghiaccio e/o idrati di idrocarburi, e che detta via di passaggio è realizzata in modo tale che detto fluido sostanzialmente gassoso fluisca e si espanda attraverso detta via di passaggio ed espansione, e che detto solido raggiunga detta porzione di uscita senza ostruire detta via di passaggio ed espansione.
2. Un metodo (200,300,400,500,600) come da rivendicazione 1, in cui detta via di passaggio ha sezioni trasversali atte ad aumentare gradualmente la velocità di detto fluido sostanzialmente gassoso in espansione all’interno di detta via di passaggio, fino a raggiungere un valore supersonico.
3. Un metodo (200) come da rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di espansione comprende una pompa elicoassiale inversa (20) atta a trattare un sistema multifase, detta pompa elicoassiale inversa (20) comprendendo un rotore ed uno statore in cui detto rotore comprende un albero cilindrico ed almeno due profili ad elica realizzati esternamente e coassialmente all’albero, in modo che detto fluido si muova secondo la direzione di detto albero quando impegna detto rotore, e detto statore comprende un condotto entro cui è disposto girevole detto rotore, ed almeno un diffusore interposto in uso tra detti due profili ad elica di detto rotore.
4. Un metodo (300,400,500) come da rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di espansione radiale-assiale inversa (25) comprende una pompa atta a trattare un sistema multifase, detta pompa radiale-assiale inversa (25) comprendendo un rotore ed uno statore in cui detto rotore comprende una girante radiale-assiale provvista di una pluralità di pale che definiscono lateralmente una pluralità di canali di detta via di passaggio ed espansione di detto fluido sostanzialmente gassoso, detti canali essendo aperti almeno da una parte secondo la direzione dell’asse di rotazione di detta girante radiale-assiale.
5. Un metodo come da rivendicazione 3 o 4, in cui detto rotore ha una velocità di rotazione inferiore o uguale a 6500 giri/min, in particolare ha una velocità di rotazione compresa tra 3000 e 6500 giri/min.
6. Un metodo (400) come da rivendicazione 3 o 4, in cui detta apparecchiatura di espansione è un’apparecchiatura di espansione di valle (25’), e detto dispositivo di espansione comprende inoltre un’apparecchiatura di espansione di monte (19) atta a ricevere detto fluido sostanzialmente gassoso (2) ed a causare una prima espansione di detto fluido con un raffreddamento fino ad una temperatura superiore ad una temperatura di formazione di detto solido, detta apparecchiatura di espansione di monte (19) essendo connessa con detta apparecchiatura di espansione di valle (20’) in modo che detto fluido sostanzialmente gassoso (2) passi da detta apparecchiatura di espansione di monte (19) a detta apparecchiatura di espansione di valle (20’) in cui detta espansione può procedere con un ulteriore raffreddamento al di sotto di detta temperatura di formazione del solido.
7. Un metodo (500) secondo la rivendicazione 3 o 4, comprendente: � un dispositivo girevole di recupero energetico (28,29) scelto tra � un compressore (28) per comprimere detto fluido sostanzialmente gassoso (6) dopo detta liquefazione di detta quota di detto almeno un idrocarburo a due o più atomi di carbonio; � un generatore (29) di energia elettrica; � mezzi di collegamento meccanico tra detto rotore di detto dispositivo di espansione e detto dispositivo girevole di recupero energetico, in modo che detto dispositivo girevole di recupero energetico generi una potenza meccanica o elettrica quando detto fluido sostanzialmente gassoso si espande in detto dispositivo di espansione; � mezzi per prelevare detta potenza elettrica o meccanica prodotta da detto dispositivo girevole di recupero energetico.
8. Un metodo (600) secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di espansione comprende una valvola di laminazione (30) comprendente a sua volta: � una porzione tubolare di ingresso (31) atta a ricevere una portata predeterminata (31) di detto fluido sostanzialmente gassoso ad una pressione predeterminata (P1), detta porzione tubolare di ingresso (31) avendo una luce di ingresso (31’), una superficie di ingresso costituita dalla superficie interna di detta porzione tubolare di ingresso, un asse longitudinale (32) ed una sezione trasversale generalmente decrescente a partire da detta luce di ingresso (31’); � una porzione tubolare di espansione ed uscita (66) per detto fluido sostanzialmente gassoso (3); � una porzione tubolare di gola (65) tra detta porzione tubolare di ingresso (31) e detta porzione tubolare di espansione ed uscita (66), in modo che dette porzioni tubolari (31,65,66) formino una via di passaggio (33) per detto fluido sostanzialmente gassoso (3); � un elemento otturatore (60) disposto in detta porzione di gola (65) atto a causare una laminazione e una conseguente riduzione della pressione, forte raffreddamento e liquefazione parziale di detto fluido sostanzialmente gassoso (3); � mezzi (34) per orientare detto fluido sostanzialmente gassoso (3) in detta porzione di ingresso (31) secondo una direzione di flusso (35) generalmente inclinata rispetto all’asse longitudinale (32), in particolare detti mezzi per orientare (34) essendo atti a far assumere a detto fluido (3) un moto elicoidale in modo che su detto fluido sostanzialmente gassoso (3) agisca una forza centrifuga e si verifichi una trasformazione di un’energia di pressione in energia cinetica associata a detto moto elicoidale.
9. Un metodo come da rivendicazione 1, in cui detta porzione di ingresso comprende una porzione centrale avente una superficie centrale (42,82) in modo da definire un passaggio anulare all’interno di detta camera di passaggio ed espansione (33), detti canali essendo definiti da una pluralità di setti (34,41,71,91) disposti orientati secondo detta direzione di flusso lungo detta camera anulare, in particolare ciascuno di detti setti (41;71,91) essendo solidale ad una rispettiva superficie di collegamento scelta tra detta superficie centrale (42) e detta superficie periferica (72,92) di detta camera anulare, in cui, in particolare, detta rispettiva superficie di collegamento (42,73,92) è la medesima per tutti detti setti (41,71,91), in cui, in particolare, detti canali hanno un andamento elicoidale, ossia sono disposti secondo rispettive spirali contigue su detta superficie di collegamento (42,72,92).
10. Un apparato (200,300,400,500,600) per separare mediante liquefazione almeno un idrocarburo a due o più atomi di carbonio da un fluido sostanzialmente gassoso (2) contenente metano detto apparato essendo atto a ricevere detto fluido sostanzialmente gassoso ad una pressione di estrazione (P1) compresa tra 15 e 300 bar, in particolare tra 35 e 150 bar, detto apparato prevedendo: � un dispositivo di espansione (20,25,30) avente una luce di ingresso, una via di passaggio ed espansione e una porzione di uscita; � mezzi per alimentare una portata predeterminata di detto fluido (2) in detta luce di ingresso in modo da far passare detto fluido attraverso detta via di passaggio ed espansione, detta via di passaggio ed espansione ssendo atta a causare un’espansione ed un raffreddamento di detto fluido (2), in modo tale che in detto fluido: � si formi una quantità di liquido (5,5’) contenente una quota di detto almeno un idrocarburo avente due o più atomi di carbonio, detta quantità di liquido (5,5’) e detta quota di detto idrocarburo avente due o più atomi di carbonio essendo dipendente da da detto raffreddamento; � si formi una quantità di solido comprendente ghiaccio e/o idrati di idrocarburi, caratterizzato dal fatto che � detta via di passaggio ed espansione è atta ad espandere e raffreddare un fluido gassoso che contiene, inoltre, una quantità di acqua superiore a 3 parti per milione in volume, in modo che quando detto fluido viene fatto espandere e raffreddare in detta via di passaggio ed espansione, si forma una quantità di solido che comprende ghiaccio e/o idrati di idrocarburi; � detta via di passaggio ed espansione è disposta in modo tale che detto fluido sostanzialmente gassoso fluisca e si espanda attraverso detta via di passaggio ed espansione senza ostruire detta via di passaggio ed espansione.